Những tiến bộ kỹ thuật của hệ thống khí thải hiện đại

Thông tin cơ bản

Trong thiết kế hệ thống ống xả, cũng như khi quyết định nâng cấp hệ thống này, 2 thành phần cần quan tâm trước tiên là: quá trình thải khí ra khỏi xy-lanh và quá trình khí thải đi vào cổ góp cũng như phần còn lại của bộ ống xả. Ở phần còn lại của bộ ống xả, khí thải đi qua phần này sẽ tạo ra áp suất ngược lại tác dụng vào lượng khí thải mới. Việc độ hệ thống xả, về cơ bản sẽ làm giảm áp suất ngược này, nhờ đó mà lượng khí thải mới được thải ra một cách tốt hơn. Kết quả là chúng ta có một quá trình thải tốt hơn, công suất động cơ được cải thiện, quá trình nạp hòa khí mới vào xy-lanh trở tốt hơn mà không bị cản trở bởi 1 phần khí thải còn lại trong xy-lanh.

Tuy nhiên, nếu áp suất ngược của khí thải quá thấp sẽ dẫn đến việc tiêu hao nhiên liệu nhiều hơn do một phần nhiên liệu bị thoát ra theo đường thải. Tương tự, nếu áp suất ngược quá cao, xảy ra khi đường thải quá nhỏ, sẽ làm cho tốc độ khí xả tăng lên, gây ra sự rối loạn khí động và kết quả là hiệu suất thải khí bị giảm.

Một trong những cách để tối ưu áp suất ngược là sử dụng loại cổ góp thích hợp. Sau khi khí thải đi qua các cổ góp, sẽ đến đường ống chính, nơi các cổ góp gặp nhau. Đường ống chính sẽ có tiết diện to hơn nhiều với tiết diện của các cổ góp.

Lấy ví dụ cho một bộ cổ góp từ 4 xy-lanh thành một đường. Độ dài của các đường ống được thiết kế bằng nhau để đảm bảo hành trình của khí thải trên các xy-lanh khác nhau đều bằng nhau. Tiết diện của các ống góp được thiết kế nhỏ hơn đường ống chính để đảm bảo song phản hồi đủ độ lớn.

Việc tinh chỉnh và tối ưu hóa hệ thống xả khá phức tạp và đòi hỏi kiến thức chuyên môn cao cùng các thiết bị kỹ thuật chuyên biệt để xác định và thử nghiệm đúng kết quả mong muốn. Nếu không cần thiết, việc tự chế tạo và thay đổi kết cấu hệ thống xả sẽ dẫn đến nhiều kết quả không mong muốn. Nếu cần thiết phải thay đổi thiết kế của hệ thống xả, hoặc đơn giản chỉ là muốn hệ thống của mình nhẹ hơn, động cơ hoạt động nhẹ nhàng, bạn nên tìm đến các hãng sản xuất chuyên nghiệp với mẫu hệ thống xả phù hợp cho xe bạn nhất. Đừng quên, việc thay đổi kết cấu hệ thống xả nguyên bản, đòi hỏi phải tinh chỉnh lại phần mềm điều khiển và công việc này cần phải có các chuyên gia để có kết quả tốt nhất.

Vật liệu chế tạo

Hiện tại, người ta sử dụng rất nhiều loại vật liệu để chế tạo hệ thống khí thải trên xe, tùy vào mục địch sử dụng. Nếu được thiết kế cho xe thương mại, hệ thống khí thải không cần đến vật liệu Titan đắt tiền, hay nếu bạn đang sở hữu một mẫu xe hiệu năng cao thì hệ thống khí thải với cổ góp đúc bằng gang nặng nề sẽ một điểm trừ đáng chú ý.

Iconel – một hợp kim của sắt với Nickel và Chrome – hiện đang được sử dụng khá phổ biến trên những mẫu xe hiệu năng cao cùng với Titan. Iconel có đặc tính chịu nhiệt tốt, khả năng chống ăn mòn và oxi hóa tốt. Nhờ đáp ứng được nhiệt độ khá cao, Iconel rất được ưa chuộng để làm cổ góp và nhiều ứng dụng phổ biến khác. Ngoài ra, với độ bền và trọng lượng nhẹ, Iconel giúp giảm khối lượng toàn bộ hệ thống, cho phép tạo hình dạng ống với thành ống mỏng hơn nhiều so với vật liệu trước đó (ví dụ gang đúc).

Ngoài ra, còn có rất nhiều loại thép không gỉ khác cũng được dùng phổ biến như thép 347, thép 321, 316 và 304. Việc thay đổi thành phần tạp chất đa dạng trong thành phần thép cho phép tạo ra nhiều loại thép với khả năng chịu nhiệt và độ bền khác nhau tùy thuộc mục đích sử dụng.

Cao cấp hơn, người ta dùng Titan để làm van xả/nạp và đường ống xả. Ngoài những ưu điểm về khối lượng và vẻ đẹp mà nó mang lại , Titan vẫn tồn tại một số nhược điểm. Đầu tiên là vấn đề giá thành so với hiệu quả mang lại quá cao. Do lý tính của Titan mà việc tạo dáng và hàn gắn các ống Titan trở nên khó khăn, tốn kém nhiều công sức...

Ứng dụng Turbocharger

Đối với động cơ sử dụng tăng nạp Turbocharger, việc đảm bảo năng lượng đi vào turbocharger được tối ưu là tiêu chí quan trọng nhất. Để đạt được tiêu chí trên, công việc của các kỹ sư là thiết kế tốt 2 thành phần :

Thứ nhất phải đảm bảo lưu lượng khí thải đều đặn giữa các xy-lanh. Đối với các động cơ có chu kì thải khí (hay chu kỳ đánh lửa) đều đặn trong 1 chu trình động cơ, cần đảm bảo lưu lượng và sung khí thải trên từng ống xả gần tương đương nhau. Để làm được việc đó, người ta thiết kế độ dài của các đường ống này bằng nhau.

Điều thứ hai là cần phải tốt đa hóa việc thu nhận năng lượng từ khí thải. Do đặc điểm hoạt động của động cơ, động năng của khí xả sẽ rất thấp khi ở tốc độ vòng tua thấp,ví dụ tốc độ cầm chừng. Tương tự, động năng của nó sẽ rất cao khi động cơ hoạt động ở mức công suất lớn. Chính vì đặc điểm này, việc cân chỉnh sao cho bộ Turbocharger đáp ứng phù hợp với từng dải tốc độ là việc bắt buộc. Để làm điều này, người ta thiết kế các đường dẫn khí có độ lớn nhỏ khác nhau để thay đổi tốc độ của dòng khí thải.

Twin-Scroll Turbocharger có 2 khoang dẫn khí thải vào cánh turbine tương ứng với 2 góc tiếp xúc khác nhau cùng 2 tốc độ khí khác nhau. Cách làm này đảm bảo độ nhạy của Turbo ở tốc độ thấp, nhưng vẫn không phải hy sinh công suất ở tốc độ cao.

Ngoài ra, công nghệ Variable Geometry Turbo sử dụng 1 khoang dẫn duy nhất, nhưng sử dụng cánh turbine có thể thay đổi góc tiếp xúc với hướng của khí thải đi vào turbine, nhờ đó mà thay đổi được tốc độ quay của cánh turbine. Cơ cấu này có thể được điều khiển bởi 1 cần đẩy, hoạt động nhờ độ chênh lệch áp suất trên đường ống nạp với áp suất khí trời. Hiện đại hơn, người ta điều khiển bằng động cơ điện, cho kết quả chính xác hơn, nhưng lại phức tạp hơn.

Tổng hợp​